Le savoir-faire en piles à combustible de l’Institut Paul Scherrer au cœur des nouveaux Minibars CFF

L’idée est née il y a environ onze ans, à la Haute Ecole spécialisée (HES) bernoise, sur la base de travaux préliminaires menés au PSI et à l’EPF Zurich. L’objectif était de réaliser un système de pile à combustible aussi compact, simple et économique que possible pour des applications portables. Il s’agissait donc, en première ligne, de simplifier et de réduire la taille des sous-systèmes destinés à l’humidification de la membrane de la pile à combustible, et au refroidissement de l’empilement de cellules élémentaires.

Ces sous-systèmes sont en effet volumineux, et complexes du point de vue de la technique de régulation. Deux solutions du PSI, entre-temps brevetées, sont nées de ces travaux de recherche, et sont aujourd’hui intégrées dans le système de pile à combustible. Il s’agit, d’une part, d’un concept novateur d’humidification interne de la membrane de la pile à combustible. Et, de l’autre, d’un joint d’étanchéité, qui s’intègre dans le concept de refroidissement développé à la HES bernoise.

L’humidification interne réduit les volumes et la complexité

Les piles à combustible à hydrogène produisent de l’électricité par séparation de l’hydrogène en électrons et en protons, au niveau de l’électrode négative. Une fois séparés, les électrons circulent sous forme de courant électrique. Quant aux protons (noyaux d’hydrogène), une fois arrivés à l’électrode positive de la pile, ils réagissent avec l’oxygène, ce qui produit de l’eau.

Condition nécessaire pour que cette réaction ce produise : il faut que les protons diffusent à travers la membrane synthétique pour atteindre la cathode. La membrane doit donc présenter ce qu’on appelle, en langage spécialisé, une bonne conduction protonique. Or, plus le degré d’humidité de la membrane augmente, plus cette conduction protonique s’améliore. Mais un excès d’eau liquide peut aussi boucher les pores à travers lesquels le gaz s’écoule vers la membrane.

Dans les grands systèmes de piles à combustible, ce sont des humidificateurs externes qui assurent le degré d’humidité nécessaire. Mais en raison de leur volume et de leur complexité, ils sont impraticables dans un système portable, avec des exigences strictes en termes d’économicité.

Les chercheurs du PSI ont trouvé une issue, en misant sur une humidification interne de la membrane. Leur idée : renvoyer directement l’excès d’humidité de l’air évacué (produit lors de l’utilisation des cellules) dans l’air fraîchement injecté.

Un concept sophistiqué d’humidification qui économise de l’énergie

Pour la récupération de l’humidité, l’air sortant de la cellule est dirigé vers ce qu’on appelle la zone d’humidification de la membrane, par des canaux installés spécialement à cet effet. Au niveau de cette zone d’humidification, l’air évacué humide circule d’un côté de la membrane, et de l’air sec, fraîchement injecté, de l’autre côté. Cette différence en termes d’humidité fait que l’eau passe à travers la membrane à partir du côté humide, en direction du côté sec : l’air frais et sec est ainsi humidifié. Le processus se joue en grande partie de manière passive, c’est-à-dire sans la moindre régulation, et moyennant une dépense énergétique minimale. La seule énergie nécessaire est celle qu’il faut pour actionner un compresseur, qui réduit au préalable le volume de l’air frais. Cette réduction de volume fait qu’il suffit de peu d’eau pour que l’air atteigne l’humidité relative souhaitée.

L’humidification interne simplifie le système, parce qu’elle rend l’humidificateur externe superflu. Elle présente par ailleurs un avantage décisif : comme l’humidification se fait à présent de manière indépendante, au niveau de chaque cellule élémentaire, le système peut être en principe agrandi à volonté, sans nécessiter d’humidificateur externe toujours plus grand. Tout l’art consiste à dimensionner de manière optimale la zone d’humidification : elle ne doit pas être trop grande, mais quand même assez grande pour permettre un transport d’humidité adéquat, notamment lorsque la pile fonctionne à plein régime.

Refroidir avec de l’air, et non avec de l’eau

Une autre contribution du PSI concerne le refroidissement de la pile. On utilise en principe de l’eau comme liquide de refroidissement, ce qui suppose de presser de l’eau dans les cellules, moyennant une importante dépense énergétique. Les chercheurs de la HES bernoise ont donc développé un concept qui mise sur l’air pour le refroidissement. Mais au lieu de choisir de balayer l’ensemble de la surface des cellules avec de l’air, comme c’est le cas dans d’autres concepts, ils ont opté pour le refroidissement à air des bords de la pile. La chaleur issue de la partie active des cellules élémentaires est efficacement transmise à la bordure des cellules, et c’est là seulement qu’elle est évacuée par le flux d’air de refroidissement. Ce transfert thermique efficace du centre vers la bordure de la cellule est possible, car la bordure est constituée d’un matériau de type graphite, doté d’une grande conductivité thermique. Le dimensionnement de cette surface de refroidissement est basé sur des calculs, réalisés au moyen d’un modèle développé par des chercheurs du PSI.

Par ailleurs, le matériau de type graphite est utilisé dans l’empilement de cellules élémentaires comme joint d’étanchéité aux gaz, et empêche une réaction incontrôlée entre l’hydrogène et l’oxygène. Cette utilisation comme joint d’étanchéité est entre-temps une invention brevetée du PSI.

La mise sur le marché du nouveau Minibar des CFF, avec système de pile à combustible intégré, montre qu’avec de la ténacité dans le transfert de technologie, des contributions à certains produits commerciaux sont possibles à partir de la recherche fondamentale. Le PSI consent des efforts à tous les niveaux de la recherche et du développement de piles à combustible à hydrogène, qui une fois encore, produisent des fruits visibles. Mais ce succès n’aurait pas été possible sans l’engagement, sur des années, de la HES bernoise et de l’entreprise CEKAtek, qui ont cru à cette technologie et l’ont développée.

Texte : Institut Paul Scherrer / Leonid Leiva

À propos du PSI

L’Institut Paul Scherrer PSI développe, construit et exploite des grandes installations de recherche complexes et les met à la disposition de la communauté scientifique nationale et internationale. Les domaines de recherche de l’institut sont centrés sur la matière et les matériaux, l’énergie et l’environnement ainsi que la santé humaine. La formation des générations futures est un souci central du PSI. Pour cette raison, environ un quart de nos collaborateurs sont des apprentis, des doctorants ou des postdocs. Au total, le PSI emploie 1900 personnes, étant ainsi le plus grand institut de recherche de Suisse. Le budget annuel est d’environ CHF 350 millions.